类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究的通讯作者为Jun Wang（邮箱：jwanges@163.com），第一作者为Yang Zhang，其他作者包括Ziyi Meng、Dongqing Yan、Peng Sun、Qianyu Shang、Ying Liu和Jingang Yao。研究团队主要来自天津工业大学（Tiangong University）环境科学与工程学院（School of Environmental Science and Engineering）及先进分离膜技术国家重点实验室（State Key Laboratory of Advanced Separation Membranes），部分合作者来自山东理工大学（Shandong University of Technology）农业工程与食品科学学院（School of Agricultural Engineering and Food Science）。研究成果发表于《Journal of Membrane Science》2025年第736卷，文章标题为《Contributions of in-situ and dynamic piezoelectric responses to the mitigation of cake layer fouling in online coagulation-ultrafiltration (C-UF) processes》。

学术背景
本研究属于环境工程与水处理技术领域，聚焦于膜分离过程中的污染控制问题。超滤（Ultrafiltration, UF）技术因其高效截留能力和与传统工艺的兼容性，被广泛应用于水处理系统。然而，在线混凝-超滤（Coagulation-Ultrafiltration, C-UF）过程中，混凝产生的絮体（flocs）会在膜表面形成滤饼层（cake layer），导致膜污染（fouling），占超滤总阻力的90%以上。传统方法通过优化混凝条件或引入电场抑制污染，但存在能耗高、操作复杂等问题。

压电膜（Piezoelectric Membranes, PEMs）因其在压力驱动下可自发产生电信号（压电响应，piezoelectric response），具有自清洁潜力，但此前研究多局限于模型污染物，实际水处理场景中的应用尚未深入探索。本研究旨在开发一种动态压力控制（Dynamic-Pressure-Control, DPC）策略，通过调控压电输出来抑制C-UF过程中的滤饼层污染，并揭示其机制。

研究流程与方法
1. 压电膜制备与表征
- 材料：以聚偏氟乙烯（PVDF）为基体，掺入氧化石墨烯（GO）作为功能填料，通过非溶剂致相分离法（NIPS）结合原位极化（in situ polarization）制备压电膜（PEM）。对照组为非压电膜（NPEM）。
- 表征技术：X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、差示扫描量热法（DSC）验证β-PVDF晶相形成；原子力显微镜（AFM）测定杨氏模量；通过步进电机系统测量开路电压（Voc）评估压电性能。
- 创新方法：开发了水下原位压电响应测试装置，模拟实际过滤条件检测膜的电信号输出。

1. 在线C-UF系统构建与实验设计

   • 系统配置：定制浸没式膜反应器，有效过滤面积10.6 cm²，集成PLC控制的动态压力模块（DPC）。
     
   • 实验流程：
     
     • 混凝阶段：调节原水pH至7.5，投加聚合氯化铝（PAC）形成絮体。
       
     • 过滤阶段：恒定通量（50 L/m²/h）运行，记录跨膜压力（TMP）和压电输出。
       
     • DPC策略：通过周期性加压-减压循环（如29秒加压至30 kPa，1秒减压）增强压电响应。
       

2. 污染分析与机制研究

   • 滤饼层表征：扫描电镜（SEM）观察形貌，ImageJ计算孔隙率；三维荧光光谱（EEM）和衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）分析有机污染物组成。
     
   • 自清洁性能测试：对比DPC与物理清洗在多周期过滤中的效果，通过TMP增长速率和不可逆污染阻力（Rir）评估。
     

主要结果
1. 压电膜性能
- PEM在空气中受压40 N时产生11.5 V电压，水下过滤时输出0.4 V（30 kPa），动态压力梯度下提升至1.1 V（2 kPa/s）。
- XRD与FTIR证实GO掺杂和原位极化促进了β-PVDF晶相形成，这是压电活性的关键。

1. 污染控制效果

   • DPC策略使PEM的滤饼层孔隙率提高至29.5%（NPEM为11.2%），不可逆污染阻力降低60%。
     
   • 多周期测试中，DPC操作（每次3分钟）的TMP维持在23 kPa，优于物理清洗的43 kPa。
     

2. 机制解析

   • 电动力学效应：压电输出通过静电排斥和介电极化（dielectric polarization）改变絮体沉积动力学。
     
   • 结构重组：局部电场诱导絮体定向排列，形成疏松滤饼层，同时极性基团（如羧基）的富集增强亲水性。
     

结论与价值
1. 科学价值：首次将DPC策略与压电膜结合，揭示了动态压力梯度增强压电响应的机制，为自清洁膜设计提供了新思路。
2. 应用价值：DPC操作仅需3分钟/周期即可显著抑制污染，能耗低于传统电场技术，适合现有C-UF系统改造。

研究亮点
1. 方法创新：开发了水下压电响应测试装置和DPC策略，实现了压电输出的实时调控。
2. 跨学科融合：结合材料科学（PVDF/GO复合膜）、流体力学（压力梯度设计）和环境工程（污染控制）。
3. 实际意义：为解决水处理中膜污染难题提供了高效、低能耗的解决方案。

其他有价值内容
研究还发现，DPC操作可提升出水水质（DOC去除率提高9%），可能与滤饼层吸附能力增强有关。此外，压电膜在长期运行中表现出良好的稳定性（信号衰减仅14%），具备工业化应用潜力。